Lezioni di Tecnologia e formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Lezione 1 (3/03/2021): Food formulation technology

Temi importanti negli ultimi due anni: ecosostenibilità, recycle, sostenibilità delle produzioni. Il corso può essere seguito tranquillamente anche non seguendo le lezioni; le slide su ARIEL sono esaustive. Iscriversi per poter accedere alle slide su Ariel.

Esame scritto in presenza, nel caso sarà orale in piattaforma Teams. Domande aperte 6/5 per quelle scritte e 3 per quelle orali. Usare un linguaggio adeguato.

Questa curva ci dice che, come la richiesta di alimenti crescerà in modo importante nel corso dei prossimi anni. Dal 2010 al 2050 sarà richiesto un incremento del 71% di alimenti prodotti (fortissima richiesta di più cibo). Ci sono delle politiche alimentari che lavorano per garantire questa richiesta, un incremento della produzione di alimenti. Ci sono alcuni punti fondamentali per la sostenibilità da tenere in considerazione:

• Waste: è lo scarto a fine vita (la maggior parte dei food waste avviene a livello domestico e in parte nella grande distribuzione). È importantissimo ridurre questo spreco alimentare. Circa 1/3 degli alimenti prodotti per il consumo umano sono sprecati e persi. Lost (perdita), di prodotti orticoli, non c’è un sistema opportuno, ad esempio, nella fase di post-raccolta, esempio, di refrigerazione, perdo parte del raccolto.
• Earth: rispetto della terra e riguarda tutta la produzione, dalla materia in campo fino al consumo del consumatore. Ci sono problemi legati alla perdita di biodiversità delle materie prime ecc.
• Nutrition: bisogna istruire ad una nutrizione diversa con maggiore impatto salutistico e con diete bilanciate, mangiare in modo più pulito e salutare (healthy).
• Stabilità: nel garantire il cibo e l’accesso al cibo, questa costanza deve essere garantita anche in condizioni difficili esterne come i cambiamenti climatici, shocks, ecc.

Riferimenti importanti da tenere sempre in considerazione:

• Healthy food (alimentazione con alto impatto salutistico).
• Sistemi di produzione sostenibili (dalla produzione primaria in campo e di trasformazione).
• Resilienza dei mercati (stabilità, garantire accesso a tutti) >> noi non ci occupiamo di questo aspetto in questo corso.

La trasformazione (food processing) da materie prime in prodotto formulato è uno step fondamentale nella catena di valore degli alimenti sulla quale ci sono stati negli anni delle attenzioni di tipo diverso, che è cambiata nel corso degli anni. (Il plasma freddo che sta innaffiando degli hamburger, vedi foto, perché il plasma freddo è una delle tecnologie nuove utilizzata per sanificare le superfici).

Food technology: esempio di gelato industriale

Il gelato è una emulsione complessa in cui abbiamo una fase aria in una fase solida/semi-solida complessa che tiene al suo interno delle sotto-emulsioni. Presenza di cristalli di ghiaccio che devono essere gestiti a livello di processo in modo tale da dare al consumatore finale in base alle preferenze. La struttura del gelato dal punto di vista fisico è complessa. A livello di ingredienti è un prodotto molto ricco.

Es. gelato americano e gelato italiano. L’etichetta del gelato italiano presenta una tabella nutrizionale, gli ingredienti, luogo di smaltimento ecc. Sono delle etichette lunghe costituite da tanti ingredienti. I prodotti formulati possono essere catalogati in funzione di quanti ingredienti fanno parte della formulazione. I consumatori tendono a scegliere i prodotti con etichetta corta. Il gelato industriale è un prodotto ad etichetta lunga. La selezione degli ingredienti è fondamentale per una finalità tecnologica del prodotto.

Processo del gelato (ice cream)

È un processo vecchio (vedi foto). Tutte le formulazioni del passato sono state riviste. Quali operazioni unitarie non sono così indispensabili? C’è stata qualche anno fa un'ingegnerizzazione, un miglioramento ingegneristico di quel blocco di operazioni unitarie (innovazione), del blocco della maturazione, sostituito con un estrusore a freddo, macchina in continuo che funge da mescolatore e da freezer e serve per fare la maturazione dei cristalli di ghiaccio del gelato. Il vantaggio di lavorare con questo tipo di impianto rispetto ai tre impianti è la cristallizzazione dell’acqua avvenga in maniera diversa e che il gelato abbia una palatabilità maggiore, morbidezza percepita in bocca più alta. Tutte le formulazioni che avevamo precedentemente visto sono state riviste perché per lavorare al meglio con un impianto nuovo c’è stata la possibilità di lavorare con la microstrutturazione delle bolle d’aria nel gelato. L’obiettivo di chi si è messo a costruire questo impianto era non di tipo impiantistico, ma è partito dal gelato finale, osservando le sue caratteristiche e poi ha costruito questo impianto. Le modificazioni che lui aveva in mente per ottimizzare era una modificata microstrutturazione dell’aria all’interno di una matrice molto viscosa. Per ottenere questo obiettivo di una sospensione aerata di cristalli di ghiaccio e di grassi in una soluzione concentrata contenente zuccheri e idrocolloidi contenente micelle di caseine, ha dovuto riformulare il prodotto e poi con una formulazione giusta ha lavorato sull’impianto. Migliorava la formulazione migliorando l’impianto.

Per strutturare in modo opportuno questo sistema con bolle di aria microstrutturate all’interno di una soluzione ad alta viscosità molto complessa, quello che ha dovuto fare è studiare i fenomeni di crescita dei cristalli nella prima miscela del gelato e poi formulare il prodotto. Il messaggio è che se noi dobbiamo pensare alle formulazioni, non possiamo pensare alle formulazioni di un prodotto solo come elenco delle proprietà degli ingredienti, ma bisogna pensare anche all’interazione di questa miscela di ingredienti con il processo (sistema processo-prodotto). Slide che spiega la differenza di come si sviluppa una matrice in assenza e in presenza di emulsionanti.

Stampa 3D dei gelati

Realizzare dei gelati a disegno artistico. La tecnologia della formulazione è a stretto contatto con la tecnologia di processo. La tecnologia della trasformazione è una disciplina nuova per il settore alimentare. È una disciplina multidisciplinare, prevede che ci sono delle figure tecniche diverse (tecnologo, chimico, fisico, ingegnere) per arrivare ad una formulazione utile del prodotto finito. La parola formulazione è simile alla parola ricetta (insieme di tutti gli ingredienti). L’ingrediente è una sostanza che forma parte di una dispersione.

Funzionalità fisica di un ingrediente, essa esprime la funzionalità fisica potenziale all’interno di una matrice alimentare. La lecitina è un additivo che ha una funzionalità specifica. È un settore multidisciplinare dove lavorano diverse figure dal tecnologo alimentare, dall’ingegnere, dal fisico e dal chimico.

Lezione 2: Food additives

Il loro utilizzo è molto regolamentato, chi si occupa del loro utilizzo è l’EFSA (sede a Parma). Questa organizzazione valuta la sicurezza d’uso degli additivi. Gli additivi sono sostanze aggiunte che hanno un ruolo importante nella struttura dell’alimento. Appaiono con la dicitura E, o la stesura intera del nome. L’EFSA ha pubblicato un riferimento legislativo sugli additivi pubblicato nel 2008, ma con un’attività molto dinamica, svolta sempre, sugli additivi. Identifica la dose giornaliera ammessa (ADI) per ogni sostanza. Ci sono altre sostanze in cui non è necessaria la dose giornaliera.

I consumatori non sanno che c’è un’attenta condizione dell’uso di un additivo. Gli alimenti in cui questi possono essere aggiunti in dose massime. Riferimenti a pagine ufficiali europei come l’EFSA, FAO ecc. non fare riferimento a pagine web non autorizzate.

Claim = richiesta / Claims = reclami / Label = etichetta. Function = funzionalità di tipo fisico (riferimento in questo corso). Superfood non è un termine scientifico, ma è un termine creato dal marketing che ci spinge a consumare alimenti considerati super per la salute (spinacio, salmone ecc.). Sono quegli alimenti naturali, non fortificati, che se consumati in quantità superiori ad altri alimenti hanno un effetto importante sulla salute.

Functional ingredients

Sono quegli alimenti funzionali nella struttura di un prodotto finito e possono essere: Spesso per ottenere una certa texture occorre combinare più ingredienti, perché l’associazione ci permette di raggiungere le funzionalità che sono gli obbiettivi che noi vogliamo raggiungere. Alcune funzionalità le vediamo a livello macroscopico come gli additivi agenti coloranti per mantenere il colore.

Si parla di architettura degli alimenti. Il food design è le combinazioni di più ingredienti per ottenere uno specifico prodotto. Esempio: la birra è un sistema bifasico (schiuma e parte liquida), e c’è una grande attenzione sul sistema schiuma. Le caratteristiche della schiuma sono molto importanti, ed è richiesta in:

• Quantità.
• Stabilità della schiuma (la schiuma in una birra deve essere tanta e stabile).

La schiuma deve avere altre proprietà di texture, palatabilità ecc. Ci dobbiamo occupare dell’interfaccia che c’è tra aria e liquido. Questa interfaccia ha delle molecole con attività di superficie che si collocano all’interfaccia che rendono stabile a livello macroscopico la schiuma. Le proteine sono stabilizzatori di un sistema disperso, interagiscono con un’interfaccia e si collocano e possono stabilizzarla. In alcune situazioni di prodotto è utile che ci siano solo proteine e in altre situazioni che ci siano solo altri emulsionanti senza proteine.

Gli agenti antischiumogeni sono agenti che fanno il processo opposto.

Hierarchy (gerarchica) of food structure

Prof. Anquilera > in un diagramma cartesiano, sulle ordinate (tempo) e sulle ascisse (lunghezza). Dalla macroscala scendendo fino alla microscala diminuiscono i tempi. Una struttura formata da biopolimeri che possiamo inserire nella scala della mesoscala può essere un aggregato di sieroproteine, oppure le micelle caseiniche. Quando siamo a livello di macroscala parliamo di fisica della produzione del cibo.

Sapere che la struttura:

Analisi di tipo fisico (role of physical analysis)

Sono analisi che possono essere utilizzate per capire e comprendere caratteristiche di ingredienti presenti nell’alimento, per interessi:

• Sensoriali.
• Effetti finali sul prodotto.

Ci sono degli analizzatori biodisponibili che ci danno la possibilità di conoscere la struttura dimensionale di una polvere (Sieving). Analisi che ci danno la possibilità di conoscere la struttura dimensionale.

L’analisi reologica, la reologia è la disciplina che studia tutto ciò che scorre e ci fa conoscere come si struttura la struttura a dei componenti a livello della mesoscala (dimensione di qualche micron). L’analisi di texture è un’analisi di un apparecchio che va a misurare le proprietà macroscopiche di un alimento, ad esempio, possiamo fare delle compressioni, trazioni, in flessione. Analisi termica effettuata in calorimetri (Thermal analysis) e studia il comportamento del materiale alla temperatura. È possibile andare a studiare la T di gelatinizzazione dell’amido tramite l’utilizzo di un calorimetro.

Sistemi dispersi

Sistema disperso: fase continua in cui è dispersa una seconda fase e l’elemento più importante per gestire questa dispersione è l’interfaccia. Gli agenti che si collocano all’interfaccia possono stabilizzarla o distruggerla. Gli agenti antischiumogeni sono agenti che distruggono la dispersione.

Queste tre condizioni di dispersione di prodotto hanno alcune proprietà: le proprietà colligative sono quelle che dipendono dai soluti.

Colloidi

Parlare la differenza tra solido, liquido e gas (definizioni) > è importante saperla.

Il pane è una schiuma rigida, così come la meringa ecc.

Lezione 3

Esempi dei principali sistemi dispersi:

• Sistemi colloidali: all’interno di questa classe:
• Emulsioni / Schiume / Gel / Sol.

In questo caso include anche le soluzioni e dispersioni che sono presenti in molti sistemi colloidali. Le dispersioni alimentari sono dei sistemi complessi (molto instabili) ed è difficilissimo trovare dei sistemi semplici. Presenza di ingredienti diversi con ruoli funzionali diversi sono presenti in un unico sistema. Tante volte i sistemi vengono arricchiti di ingredienti funzionali, ad esempio, con l’obbiettivo di rendere la sospensione più stabile nel tempo.

Esempio di sistemi complessi: maionese, salse, dressing tipo salad dressing, creme base formaggio, margarine ecc. La complessità sta nel fatto che, ad esempio, componenti tipo olio, componenti lipidiche solide, acqua, componenti additivi con carattere emulsificante, o ingredienti con ruolo di disperdenti, spesso e volentieri convivono in queste dispersioni reali.

NB: fare sempre riferimento a degli esempi di prodotti reali.

Riassunto: è un sistema dove più componenti devono interagire (sistemi alimentari sono dei sistemi complessi molto instabili) per rendere stabile la dispersione. Se in questo caso i componenti principali sono l’olio, acqua e grassi in forma solida, i componenti minori sono gli emulsificanti e addensanti che sono inseriti in queste formulazioni = unico scopo di stabilizzarle.

Emulsioni

Sono dispersioni di un liquido in un secondo liquido, ampiamente non miscibile con il primo. Nella descrizione di emulsioni alimentari, i liquidi a cui ci si riferisce sono l’olio e l’acqua. Ci sono diversi tipi di emulsione, da quelle più semplici a quelle più complesse.

Ad esempio, emulsioni più semplici olio in acqua e nella seconda foto abbiamo delle emulsioni acqua in olio. Nel primo caso (olio in acqua) la fase disperdente (chiamata anche fase continua) è l’acqua, mentre la fase dispersa è l’olio che è presente in goccioline. Nel secondo caso la fase continua, prevalente, è l’olio, mentre la fase dispersa è l’acqua. La predominanza in massa di un liquido rispetto all’altro è fondamentale quando sceglieremo l’emulsionante adatto per le stabilizzazioni. Le emulsioni olio in acqua chiederanno degli emulsionanti diversi rispetto alle emulsioni acqua in olio (perché è diversa la natura della fase continua della emulsione).

Le emulsioni semplici sono molto rare, e molto più comunemente le emulsioni alimentari sono complesse che hanno delle funzionalità complesse. Si chiamano emulsioni strutturate e sono progettate per svolgere certi specifici ruoli (di carattere tecnologico, qualche volta sono dei ruoli che hanno delle finalità con degli aspetti legati alla digestione, altre volte sono delle emulsioni progettate in modo opportuno per avere una funzionalità tecnologica superiore, ad esempio, possono essere progettate per essere dei carrier (veicoli) di altre sostanze negli alimenti.

Esempio in cui abbiamo una massa in olio maggiore della massa in acqua. Primo step è l’omogeneizzazione in cui creiamo delle emulsioni acqua in olio (fase continua, perché presente in quantità maggiori). Per rendere stabile questa emulsione occorrerà introdurre un agente emulsificante, non tutti gli agenti emulsificanti saranno corretti, ma sceglieremo solo gli agenti emulsificanti solubili in olio (ovvero deve essere solubile nella fase liquida prevalente, in questo caso è l’olio).

Complichiamo l’emulsione semplice acqua in olio, in un’entità importante. Aggiungendo altra acqua, operiamo una seconda omogeneizzazione, in questo caso abbiamo una predominanza del liquido acqua e se noi vogliamo arrivare ad una emulsione doppia (acqua in olio in acqua), l’emulsionante che dobbiamo scegliere per stabilizzare questa emulsione complessa, sarà un emulsionante solubile in acqua (perché in questo caso la fase predominante è la fase acquosa).

NB: L’emulsionante è un componente fondamentale per la stabilizzazione.

L’emulsificante non deve essere inteso come additivo sintetico introdotto solo per “sporcare un’etichetta” (renderla più lunga e ricca di ingredienti), spesso e volentieri abbiamo degli emulsionanti naturali che possono agire da emulsificante con ottimi risultati, ad esempio, la beta-lattoglobulina, la gomma arabica, la gomma di xantano.

Ci sarà scelta dell’emulsionante:

• Tipologia di emulsione.
• Caratteristiche chimico-fisiche dell’emulsione (ad esempio, il pH, temperatura ecc.) saranno sia additivi aggiunti per rendere stabile una emulsione o potranno essere dei polimeri naturalmente presenti nel sistema.

Sol e gel

Sia lo stato sol (soluzione) e sia lo stato gel sono classificati come colloidi, e questi due stadi sono interconnessi, perché per ottenere un gel dobbiamo partire da una soluzione (sol). Abbiamo una serie di molecole che sono pronte per gelare, ovvero organizzarsi in un reticolo (network) tridimensionale a partire da una soluzione.

Quindi per formare un gel? Devo partire da una soluzione contenente molecole con nota capacità gelante, in condizioni opportune di temperatura, pH, agitazione meccanica, presenza di...